modelo para resumo expandido - Boletim Técnico da FATEC-SP

SENSORES DOSIMETRICOS CAPACITIVOS DE
ALUMINA DOPADA COM TERRAS RARAS
Eduardo dos Santos Ferreira1, Juan Mittani2, Sonia Hatsue Tatumi2, Alexandre Ventieri3 e Katia Alessandra
Gonçalves3
1
Universidade Federal do ABC
2
Faculdade de Tecnologia de São Paulo
3
Universidade de São Paulo
[email protected], [email protected], [email protected]
Resumo
Apresentamos o estudo das propriedades elétricas da
alumina dopada com Yb, Er, Nd e Ce para avaliar a
possibilidade de se construir um sensor dosimétrico
capacitivo. As amostras foram sintetizadas usando o
método sol-gel. Observamos a diminuição da
capacitância com o incremento da dose de radiação
gama em todas as amostras. Durante a exposição da
alumina ocorre o processo de ionização, onde elétrons
excitados são armadilhados em estados metaestáveis na
rede cristalina, alterando as características dielétricas do
material. Este comportamento evidencia o potencial
deste material como um sensor de radiação capacitivo
simples e de baixo custo.
1. Introdução
Um dosímetro é um dispositivo que mede a radiação
em termos de dose, que pode ser usado individualmente
ou dentro de ambientes fechados. De acordo com o
fenômeno de interação da radiação com a matéria
definimos o método de detecção da dose de radiação,
que pode ser por ionização, exposição ou por
luminescência. A luminescência descreve a propriedade
de certos materiais emitirem luz quando estimulados
opticamente ou aquecidos, estes materiais são
amplamente usados na detecção de radiação em
ambientes clínicos e industriais.
A resposta luminescente de materiais naturais e
manufaturados é estudada desde as primeiras décadas
do século XX. Os primeiros experimentos se
concentraram no fósforo (P) e sua fosforescência, estes
estudos levaram a pesquisa e desenvolvimento da
termoluminescência (TL) como método confiável de
detecção de dose radioativa absorvida em materiais
dielétricos. Mais recentemente descobriu se que a
técnica da luminescência opticamente estimulada (OSL)
também poderia ser usada para a dosimetria com o uso
do Al2O3:C.
A intensidade TL ou OSL de certos materiais cresce
em função da dose radioativa administrada. Quando um
isolante é irradiado, alguns elétrons são excitados e
podem ir para a banda de condução, deixando lacunas
na banda de valência. A existência de defeitos e
impurezas dentro da rede policristalina do isolante cria
estados energéticos metaestáveis, que podem armadilhar
estas cargas livres. Uma estimulação subsequente por
calor ou luz leva a absorção de energia pelos elétrons
armadilhados, causando uma transição para a banda de
condução e posteriormente a recombinação com as
lacunas, que resulta em uma emissão luminescente.
Atualmente os principais materiais utilizados em
dosimetria por TL e OSL são o fluoreto de lítio dopado
com magnésio (LiF:Mg), titânio (Ti) e a alumina
dopada com carbono (Al2O3:C) [1,2]. Pelos processos
de ionização/excitação descritos acima, fica claro que a
exposição à radiação deve alterar as propriedades
elétricas do material, já que elas dependem dos níveis
metaestáveis encontrados na banda proibida do material.
Um sensor capacitivo é um dispositivo que apresenta
uma variação da capacitância em função de uma
excitação não elétrica [3,4]. Como um sensor capacitivo
consiste de duas superfícies condutivas separadas por
um material dielétrico, a capacitância pode mudar pela
alteração geométrica (sensores mecânicos) ou pela
alteração das propriedades dielétricas do material
isolante entre as placas (sensores químicos) [5,6].
Um sensor capacitivo permite medir com precisão
várias grandezas como velocidade, umidade,
concentração, pressão, temperatura, etc., tornando-se
assim o tipo mais utilizado em aplicações comerciais
[7,8].
Assim, no presente trabalho apresentamos o estudo
da variação das propriedades elétricas da alumina
dopada com diferentes elementos terras-raras, em
função da dose, como técnica alternativa de medida da
dose.
2. Experimental
Amostras em pó de alfa-alumina (α-Al2O3) foram
sintetizadas
pelo
processo
sol-gel.
Foram
confeccionamos amostras puras e dopadas com terras
raras com concentrações variadas, conforme exibido na
Tabela I.
Tabela I: Concentração de dopantes nas amostras.
Amostra
Concentração
Cério
10% de Ce
Neodímio
5% de Nd
Érbio1
1% de Er e 3% de Yb
Érbio2
2% de Er e 18% de Yb
O processo sol-gel utilizado consiste na dissolução
de 40 mmol de tri-sec-butóxido de alumina em 30 ml de
água destilada a temperatura de 70 °C. Após a
dissolução, 3 mmol de ácido hidro clorídrico são
dissolvidos em 10 ml de água destilada, e nesta solução
ácida é adicionado a solução de tri-sec-butóxido de
alumina. A seguir a solução é mantida em 70 °C por 2
horas para a formação do gel, no caso da amostra pura.
As amostras dopadas recebem os dopantes na fase da
mistura do ácido hidro clorídrico. O gel resultante é
secado por 12 horas a uma temperatura de 70 °C. O
sólido formado após o processo de secagem é moído e
levado a um forno a 1600 °C por 3 horas, para o
processo de calcinação. A rampa de aquecimento do
forno é de 3 °C/min.
O pó resultante da calcinação foi misturado com
Teflon numa combinação de 50% de cada elemento.
Este material foi prensado e transformado em pastilhas
de 10 mm de diâmetro para a caracterização elétrica. O
Teflon confere rigidez mecânica às pastilhas para
permitir seu manuseio. As pastilhas foram irradiadas
com doses de 1 a 5 Gy em uma fonte de radiação γ de
60
Co, com taxa de irradiação de 28,7 Gy/h.
Para a caracterização elétrica das amostras foi
utilizado o analisador de impedância Agilent E4991A,
em conjunto com a ponta de prova para medidas
dielétricas 16451B. As medidas de TL foram realizadas
em amostras sem Teflon, utilizando o leitor TL/OSL
modelo 1100, da Daybreak Nuclear e Medical Systems
Inc.
A caracterização elétrica das amostras consiste na
determinação da curva de impedância (|Z|) e ângulo de
fase () em função da frequência (f). A faixa de
frequência utilizada foi de 100 Hz a 15 MHz. A partir
destas curvas e das dimensões físicas das amostras
foram calculadas a capacitância (C) e a constante
dielétrica do material (r). A constante dielétrica do
material foi determinada utilizando a equação 1 [4]:
r 
t
 o  A  2  f  Z  sen
(1)
onde o é a constante dielétrica no vácuo (8,85x10-12
F/m), A é a área do eletrodo (19,63x10-6 m2), t é a
espessura da amostra e f a frequência. As espessuras das
amostras são determinadas utilizando o micrômetro da
ponta de prova 16451B.
3. Resultados e Discussões
As Figuras 1, 2, 3, 4, 5 e 6 exibem as
permissividades relativas em função da dose, das
amostras citadas na Tabela 1, alumina pura e teflon. O
erro experimental médio das curvas é inferior a 10%.
Todas as amostras apresentaram uma queda da
permissividade elétrica com a dose. Dentre todas as
amostras a que apresentou o melhor comportamento,
isto é, com menor oscilação dos pontos experimentais,
foi a amostra dopada com Cério (Figura 1), que
forneceu uma queda linear com a dose. As demais
apresentaram decaimento com a dose também, contudo
existe uma nítida oscilação dos pontos experimentais,
que não é um comportamento desejável na construção
de um sensor. As possíveis causas deste comportamento
podem ter origem na composição das amostras, no
processo de confecção das pastilhas, ou no processo de
irradiação da pastilha. O objetivo do projeto é provar
que a alumina pode ser um sensor dosimétrico
capacitivo, e determinar a melhor opção para um estudo
mais detalhado. Considerando-se o observado nas
Figuras de 1 a 4, podemos concluir que as propriedades
dielétricas das amostras de alumina dopadas se alteram
com a exposição à radiação.
As Figuras 5 e 6 exibem a variação da
permissividade em função da dose da alumina pura e do
teflon, o objetivo deste procedimento é determinar a
influencia do teflon na medida da dose, e no caso da
alumina pura, verificar se o dopante realmente tem
efeito na medida da dose. Verificamos que o teflon sofre
menor influencia da radiação, em comparação ao
observado com as amostras de alumina pura, sendo sua
resposta quase constante para todos os pontos
experimentais, exceto o último. Deste modo o teflon não
exerce efeito significante nos resultados das demais
amostras.
A alumina pura também apresenta sensibilidade à
radiação, e comparando o resultado exibido na Figura 7
com o da Figura 1, concluímos que o efeito do Ce é
evidente, melhorando a resposta dielétrica do material a
radiação. Nota-se uma variação mais linear na amostra
da Figura 1.
A redução da capacitância com o aumento da dose
pode ser explicado pelos processos de ionização e
quebras de dipolos elétricos dentro do material. Durante
a exposição da alumina à radiação ionizante, ocorre o
processo de ionização, onde elétrons excitados são
armadilhados em estados metaestáveis na rede
cristalina, alterando as características dielétricas do
material.
3,0
2,8
2,8
2,6
2,6
2,4
2,4
2,2
r
r
3,0
2,2
2,0
2,0
1,8
1,8
1,6
1,6
0
1
2
3
4
5
0
1
Dose (Gy)
2
3
4
5
Dose (Gy)
Figura 1 – Permissividade versus dose da amostra
Cério.
Figura 4 – Permissividade versus dose da amostra
Érbio2.
2,8
3,2
2,6
3,0
2,8
2,4
2,6
2,2
r
r
2,4
2,0
2,2
2,0
1,8
1,8
1,6
0
1
2
3
4
1,6
5
0
1
Dose (Gy)
2
3
4
5
Dose (Gy)
Figura 2 – Permissividade versus dose da amostra
Neodímio.
Figura 5 – Permissividade versus dose da amostra sem
dopante.
3,0
1,7
2,8
1,6
1,5
2,6
1,4
r
r
2,4
1,3
2,2
1,2
2,0
1,1
1,0
1,8
0
1
2
3
4
5
Dose (Gy)
Figura 3 – Permissividade versus dose da amostra
Érbio1.
0,9
0
1
2
3
4
5
Dose (Gy)
Figura 6 – Permissividade versus dose do Teflon sem
adição de alumina.
A Figura 7 exibe a simulação da variação da
capacitância pela dose para um sensor hipotético de
radiação capacitivo, com geometria quadrada com de 2
cm de lado e usando Al2O3:Ce como dielétrico. Para o
cálculo destes valores fizemos um ajuste linear com
base nos dados da Figura 1, e determinamos a taxa de
variação da permissividade com a dose, que é de -0,2
Gy-1. O capacitor proposto resulta em um sensibilidade
de 7pF/Gy, que é um valor muito bom para aplicações
de dosimetria pessoal e ambiental.
100,0p
Cerio
Capacitância (F)
90,0p
A amostra Érbio2 apresenta uma boa resposta
termoluminescente, entretanto não tem uma boa
resposta elétrica à radiação como o Cério, que por sua
vez tem a pior resposta termoluminescente. Deste modo
propomos um novo trabalho mais detalhado sobre o
comportamento TL e dielétrico destas duas amostras.
80,0p
A redução da capacitância com o aumento da dose
pode ser explicado pelos processos de ionização e
quebras de dipolos elétricos dentro do material.
70,0p
60,0p
50,0p
40,0p
30,0p
20,0p
0
2
4
6
8
10
Dose (Gy)
Figura 7 – Capacitância versus dose para amostra Cério.
Os resultados da análise de TL das amostras são
exibidos na Figura 8. As amostras não estão misturadas
com teflon, a análise de TL foi realizada na região do
visível (340-610 nm) e com dose de 5 Gy. Todas as
amostras
apresentam um pico isolado em
aproximadamente 200 °C. Este pico é conhecido como
pico dosimétrico, e é intenso para a amostra Érbio2, e
menos intenso para a amostra dopada com Cério. Isto
indica que provavelmente uma amostra com excelente
resposta TL pode não ter uma boa resposta dielétrica em
função do acréscimo de dose. Isto faz sentido, visto que
a intensidade TL será maior se a liberação de portadores
ocorrer mais facilmente, isto é, se eles não ficarem
muito presos nos estados metaestáveis. No caso da
medida por meios dielétricos, o mais interessante é que
este processo de liberação seja mais difícil, isto é, que
ocorra em maiores temperaturas.
Figura 8 – Curva TL da amostras de alumina
4. Conclusões
Observamos uma redução da capacitância em função
da dose para todas as amostras, sejam dopadas ou não.
A influência do teflon foi mínima nos resultados. A
amostra dopada com Cério apresentou o melhor
comportamento para construção de um sensor.
De acordo com os resultados obtidos concluímos
que é possível medir a dose absorvida de radiação gama
através da capacitância. Isto permitirá a construção de
equipamentos de medidas de dose de baixo custo e boa
precisão a partir de simples medidores de capacitância.
Finalmente, nossos resultados nos motivam a expandir
nossos esforços nesta linha de pesquisa.
Agradecimentos
À FAPESP e ao CNPq, pelo apoio financeiro.
Referências Bibliográficas
[1] S. W. S. McKeever: in Thermoluminescence of
solids, Ed. 1, Cambridge University Press, New
York, 1988, 376.
[2] E. G. Yukihara, V. H. Whitley, S. W. S. McKeever,
A. E. Akselrod and M. S. Akselrod: in Radiation
Measurements, 2004, 38, 317.
[3] T. Wagner, S. Krotzky, A.Weiß, T. Sauerwald, C.
Kohl, J. Roggenbuck and M. Tiemann: Sensors,
2011, 11, 3135.
[3] C. K. Kwan: in Dielectric Phenomena in Solids:
With Emphasis on Physical Concepts of Electronic
Processes, Ed. 1, Elsevier, New York, 2004, 579.
[4] E. Barsoukov and J. R. Macdonald: in Impedance
Spectroscopy
Theory,
Experiment
and
Applications, Ed. 2, Wiley Interscience, New York,
2005, 616.
[5] G. G. Raju: in Dielectrics in Electric Fields, Ed 1,
CRC Press, New York, 2003, 571.
[6] T. Okabayashi, T. Fujimoto, I. Yamamoto, K.
Utsunomiya, T. Wada, Y. Yamashita, N. Yamashita
and M. Nakagawa: Sensors and Actuators B, 2000,
64, 54.
[7] D. M. Wilson, S. Hoyt, J. Janata, K. Booksh and L.
Obando: IEEE Sensors Journal, 2001, 4, 256.
[8] Agilent Technologies, in Agilent Technologies
Impedance Measurement Handbook, Ed 4, Agilent
Technologies Inc, Santa Clara, 2009, 140.